从工艺流程的解读谈化学工艺建模教学
2018-02-28吴种云
吴种云
摘要：模型可协助学生记忆与解释，让学生思考视觉化，解决问题程序化。化学建模教学包括帮助学生理解物质模型，形成思维模型，并在分析和解决问题时，随着新问题的不断出现，对原有的模型进行强化或修正，从而得到较完整的认知模型的过程。以化学工艺流程的建模为例，阐述了模型的建立、强化、运用和发展的过程。
关键词：模型；建模教学；化学工艺流程；模型资源开发
文章编号：1005-6629（2018）1-0029-06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1化学工艺及学生学习情况
化学工艺，即化工技术或化学生产技术，指将原料物主要经过化学反应转变为产品的方法和过程，以及实现这一转变的全部措施。它是以化学方法为主，以改变物质组成与物质结构合成新物质为主的生产过程和技术。化学工艺涉及的范畴很广，一般包括原料的选择和预处理，生产方法的选择及方法原理，设备的作用、结构和操作，催化剂的选择和使用，其他物料的影响，操作条件的影响和选定，流程组织，生产控制，产品规格和副产物的分离与利用，资源的回收利用和对不同工艺路线和流程的技术经济评价等等…。
在教学中发现，学生在解读工艺流程时存在以下几个问题：①对考查的元素化合物知识或化学原理的遗忘；②对不熟悉的特殊工艺目的的理解有缺失，在遇到新问题时，不会从流程的实际出发去分析工艺的目的，常常将头脑中已有的常规解答教条地照搬，而出现文不对题、答非所问的情况；③对于题目所提供的信息有漏用或错用的情况，如用乙醇洗涤cucl的作用还是答成常规的减少溶解损失，而忽略了cucl是不溶性的固体且容易氧化潮解而需要迅速除去水；④文字表述不够准确，不能从工艺自身的目的出发进行描述，如趁热过滤的目的，将“避免溶质析出造成损失”答成“温度高溶解度大”，再如将“加稀硫酸除去铜粉中混有的铁粉”答成“稀硫酸与铁粉反应生成氢气”等。
2化学建模教学
“化学知识的组成包括现象观察的结果与其蕴含的科学理论”，然而学生“通常会将情境的问题加以解构，把知识内容拆成片段来理解”，忽略了学习材料从现象到结论再上升到理论这一发展认知规律的内容编排的价值，这样建立的知识就成了无源之水，不能有效地发展成解决问题的方法；没有系统组织已经习得或正在习得的知识也是一盘散沙，容易出现记忆错误或遗忘。
图式是人脑中已有的知识经验的网络，例如化学工艺流程的一般结构包括除杂、转化和产品精制等多个环节，化学工艺流程就是这多个环节形成的网络；图式也是人头脑中关于普通事件、客体与情景的一般知识结构，例如实验室制备气体的装置图式一般包含气体的发生装置、除杂装置、收集装置和尾气处理装置，而实验室制备气体的操作图式则包括：搭装置，检查装置气密性，装药品，进行实验，终止实验和拆装置等步骤；图式有“概括性”，通常包含“同类事物的本质特征”，图式中的知识是组块出现的，是关于某个客体或事件的整体认知。一旦发展了某个认知的图式，也就形成了对于某一实物或事件或过程或操作的认知模型。化學建模教学是图式理论在化学教学中的应用和发展。
2.1化学模型
模型是通过主观意识借助实体或者虚拟表现构成客观阐述形态结构的一种表达目的的物件。它是一种结构，是原型的替代物，是对原型信息的简缩、提炼，是对原型的形象化或模拟与抽象。其关系如图1所示。
化学模型可分为物质形式的模型和思维形式的模型。物质形式的模型，如甲烷的比例模型和球棍模型、炼铁高炉模型或是阳离子交换膜电解槽模型，而思维形式的模型，包括抽象概念的形象描述，如电子云模型，理论表达如盖斯定律、理想气体状态方程等，图像与符号模型如化学方程式，还包括解决某一问题的一系列行为，这些行为存在一定的先后顺序。如陌生氧化还原反应方程式的书写包括：①确定反应物和生成物，②根据得失电子守恒配平氧化剂和还原剂，氧化产物和还原产物，③根据质量守恒定律配平其余物质等，这个顺序一旦混淆，将给问题的解决带来障碍。
2.2化学建模教学
学生在课堂上透过既有想法进行师生、生生问的互动，从而建构内在心智表征与外显模型，一旦形成某个知识的认知模型，那么在遇到类似的问题时，学生将会自觉地运用已有的认知模型去分析和解决问题，即“借助建构出来的模型进行学习与迁移”。同时，随着新问题的不断出现，原有的认知模型或强化或修正，将已建立起来的认知模型从简略的模型发展成较完整的基本模型，其历程见图2。
化学建模教学包含两方面的含义：一是在日常教学活动中渗透化学建模的思想，将化学建模和教学内容有效整合，侧重于知识和方法的概括，并将零碎的知识点或方法融合形成有机的整体，形成化学思维模型，即“建模”的过程；二是在学生有了大量的化学思维模型储备后，在遇到化学问题时，能在有限的思维过程后找到与当前问题相匹配的模型而进行问题解决，即“用模”的过程。
3化学工艺建模的尝试
3.1认识化学工艺流程
化学工艺流程由一系列单元操作设备通过管道组合成复杂系统，通过对原材料进行混合、分离、粉碎、加热等物理或化学方法，制备目标产品，使原材料增值。流程包含预处理、核心反应和产品精制，一般有如下两种表达方式，见图3和图4：
在课堂教学中，让学生通过已有的工艺流程实例体会工艺流程的一般模式，为后续的仿写工艺流程打好基础。
例：卤块的主要成分是MgCl2，此外还含Fe3+、Fe2+和Mn2+等离子。若以它为原料按图5所示工艺流程进行生产，可制得轻质氧化镁。
问题：以上展示的是卤块制氧化镁的工艺流程，请在阅读流程的基础上说明每一步流程的目的。
设计意图：由实验目的可以看出该工艺流程需要除去卤块中的杂质金属离子后，最终制得轻质氧化镁。该过程旨在帮助学生明确工艺流程的形式，划分工艺流程的结构，以指导学生更有效地明确流程的目的。endprint
3.2仿写化学工艺流程
化学工艺流程从认识阶段过渡到仿写阶段，让学生将对化学工艺流程的认知表达出来，作为工艺流程的模型的雏形。在仿写工艺流程时，通常可选择如粗盐的提纯等难度较小或学生已熟悉的实验方案进行改编。
案例（2013江苏高考第19题改编）：某研究性学习小组欲从硫铁矿烧渣（主要成分为Fe2O3、SiO2、Al2O3）出发，制备绿矾（FeSO4·7H2O）。表1列出了相关金属离子生成氢氧化物沉淀的pH（开始沉淀的pH按金属离子浓度为1.0mol·L-1计算）。
问题1：请结合图6的绿矾溶解度曲线，完成由硫铁矿烧渣制备FeSO4·7H2O晶体的工艺流程方案（参看图7，可选用的试剂：铁粉、稀硫酸和NaOH溶液）。字生回答2：见图9。
设计意图：从学生熟悉的高考题入手，通过学生自己画出工艺流程，能够更熟悉工艺流程的表达形式和更深刻地理解工艺流程的结构，能够从工艺流程结构的角度实现流程读取上的初步建模。
3.3建立化学工艺流程模型
学生对化学工艺流程模型的认知包括：①工艺流程的读取程序模型，如先关注化学变化，后分析物理变化；②对化学工艺的认知模型，如控制pH除去杂质金属离子，加快反应速率的一般措施等；③工艺流程设计的一般原则，如经济性、简约性以及绿色化等。在建立化学工艺流程模型时，需要在课堂中将以上几个方面的模型不断渗透，以帮助学生建立模型。
追问1：答案1的流程中包含多个物理和化学变化过程，你能找出其中的化学变化，并写出其离子方程式吗？
学生回答：酸溶：Fe2O3+6H+=2Fe3++3H2O Al2O3+6H==2Al3++3H2O；还原：Fe+2Fe3+=3Fe2+；除铝：Al3++3OH=Al（OH）3↓
设计意图：通过问题的形式帮助学生建立阅读化学工艺流程的方法，即首先关注化学变化的部分并理解化学反应以明确流程的基本框架。
追问2：能否将上述答案1中的“除铝”和“还原”两步骤交换？
学生回答：不能，因为Fe3+比Al3+先沉淀。
设计意图：让学生体会将Fe3+转化为Fe2+，不仅满足了生成Fe2+的需要，还达到了除去铝元素的目的，初步建立通过控制pH而达到沉淀某些金属离子的模型。
追问3：以上两种流程均可实现转化目的，哪一种方案更好，为什么？（提示：评价实验方案一般从以下几个方面进行分析：①是否符合实验原理，能否达到实验目的；②操作是否简单易行；③试剂、原料的用量及成本；④是否有利于环境保护；⑤是否安全可靠）
学生回答：第一种方案更好，因为该过程步骤少，操作简单，与第二种方案相比，稀硫酸和NaOH溶液的用量均较少，成本较低。
设计意图：人们在不断地分析、总结的过程中，总能将自己的经验进行抽象，逐渐形成认知模型。为了把握这一自然趋势，通过设计化学工艺的评价来提高学生形成和应用认知模型的有效性。随着学生越来越熟练地从流程本身出发去考虑问题，在从流程的目的出发对工艺进行的评价，实现从认识流程到理解流程再到评价流程这一过程中，学生需要不断主动思考，强化认知模型，而非走马观花、浮于形式。
问题2：为了使答案1方案更快更好地完成转化，你可采取哪些措施？
学生回答：为加快酸溶的速度，可采取以下措施：①粉碎硫铁矿烧渣，增大接触面积；②适当增大稀硫酸的浓度；③适当加热。为提高还原的效率，可加人过量铁粉充分搅拌，既可加快反应速率又可提高Fe3+的转化率。为提高除铝的效率，可控制溶液的pH，使Al3+完全沉淀又不使Fe2+沉淀下来。为了减小FeSO4·7H2O晶体的溶解损失，可采取以下措施：①加热浓缩得到60%的饱和溶液再冷却至0℃结晶；②冰水洗涤或乙醇洗涤；③在冷却后的溶液中加人适量乙醇，以降低FeSO4·7H2O晶体的溶解度。为了防止FeSO4·7H2O晶体失去结晶水，可采取以下措施：①低温干燥；②利用乙醇洗涤晶体后带走水分而达到干燥的目的。
设计意图：引导学生从化学工艺方面进行建模，从提高转化率、提高产率等多方面进行建模。
3.4運用和发展化学工艺流程模型
在运用和发展化学工艺流程阶段，一般可通过指导学生确定相似操作的不同目的来确定已有化学工艺模型的不同应用范围，消除既有模型带来的应用误区。
问题3：乙醇在化学工艺流程中有广泛的应用，你能说出乙醇在以下工艺流程中的作用吗？
①从海带中提取碘的部分工艺流程（见图10）中用适量酒精润湿海带。
②已知MnSO4的溶解度如图11所示，用乙醇洗涤从溶液中过滤出的MnSO4·H2O固体。
③用乙醇洗涤从CuCl固体（已知CuCl微溶于水，不溶于稀酸，可溶于Cl-浓度较大的体系，在潮湿空气中易水解氧化）。endprint
④实验室得到[Cu（NH3）4]SO4·H2O时，在深蓝色溶液中加人极性较小的溶剂乙醇后，析出深蓝色晶体[Cu（NH3）4]SO4·H2O。
学生回答：①用酒精润湿海带有助于海带灼烧充分，完全灰化。
②减小MnSO4·H2O的溶解损失、迅速除去晶体表面的水防止其因温度降低而与表面的水形成MnSO4·5H2O。
③迅速除去晶体表面的水，防止CuCl水解氧化。
④降低[Cu（NH3）4]SO4·H2O的溶解度，促进其结晶析出。
设计意图：结合几个乙醇在工艺中的应用实例，将乙醇的作用归纳为以下几点：①洗去晶体表面的杂质；②减少溶解损失；③快速干燥；④除去水，防止与水发生反应。
这样，在已有的洗涤模型基础上，可加以对比和整合，形成不同模型的应用范围，见图12。可见，溶解性小的物质，乙醇降低溶解度的作用就不大，而稳定性差的物质，乙醇的除水功能就尤为重要，体现在水本身与待洗涤物发生反应及干燥过程中导致结晶水的脱水等不利的影响。
上述几个工艺中都用到乙醇，然而所起的作用不同，无论是工艺目的的分析还是合适工艺的选用，其核心都是从工艺自身的矛盾出发去分析问题，见图13。
同样，在化学工艺流程中，无论是预处理、核心反应还是产品精制环节，都包含了工艺的选择和试剂的选择两方面，而这些工艺在不同的环节的不同作用可作以下归纳，见图14。
在建模教学中，要注意引导学生形成从物质或流程本身出发去分析问题的思维模式，切不可脱离实际问题谈模型，一切原料、生产方法、设备或操作条件的选择都是基于具体问题的分析，即所有模型的建立都是有条件的。这样，一旦建立了某一工艺流程的模型，就把流程中涉及的物质的性质、设备或装置的使用以及副产物的分离利用、资源的回收等问题有机地结合起来，各部分知识交互运作，避免知识的遗忘和模型的错误匹配，形成知识的“螯合效应”。
4思考
模型可协助学生记忆与解释，让学生思考视觉化。模型一旦形成就具有相當的稳定性，因此，在帮助学生建模时必须充分考虑模型的科学性和适用性，不可错建、错用或滥用；一旦匹配了模型，就可引起新信息的加工，如理解熔融态水（即液态水）可溶解固态的NaCl就能理解熔融态的冰晶石可溶解固态的氧化铝，一旦意识到熔融的冰晶石溶解氧化铝和液态水溶解氯化钠是类似的，则必然会在原有助熔剂的基础上形成新的理解，并将原有分散的知识连成网络、形成系统。类似地，电解CuCl2溶液时，水也可看作CuCl2的助熔剂；在建模时需要遵循学生的认知规律，一般先建立事实性的模型，再建立解释性模型，如电解饱和食盐水问题中，先建立阳离子交换膜电解槽模型，再建立用饱和的食盐水以及阴极区通入稀氢氧化钠等化学工艺的意图。
教学的目的是帮助学习，我们所提出的化学建模教学，将建模素材按照由简单到复杂，考虑的因素按由一元到多元的顺序逐渐展现在学生面前，使得学生在逐步解决问题的过程中，形成解决问题的一般模式，以促进有目的的学习和缩短达成建模教学目标所需要的时问。endprint
